유세포 분석(flow cytometry)의 원리, 단계, 응용 - 1

 

 

이번 시리즈에서는 생명과학 실험기법 중 가장 유명한 기법 중 하나인 유세포 분석(flow cytometry)의 기본적인 원리, 단계, 그리고 응용에 대해 자세히 알아보도록 할게요.

 

 

 

 

 

 

cytometry, 즉 세포 측정법은 세포의 특성을 측정하는 기술이에요. 이 특성에는 세포 크기(cell size), 세포 수(cell count), 세포 주기(cell cycle) 등 다양한 것이 포함될 수 있죠. 세포 측정법을 통해 연구자들은 개별 세포에 대한 매우 구체적인 정보를 얻을 수 있어요. 분석에 사용되는 샘플은 형광단백질을 발현하는 세포주(cell line)부터 조직에서 수집한 이질적인 세포군에 이르기까지 다양하죠. 효율적이고 효과적인 유세포 분석(flow cytometry analysis)을 위해 가장 중요한 요구사항은 샘플이 단일 세포 현탁액(single-cell suspension) 상태여야 한다는 거예요. 이를 통해 각 세포가 독립적으로 분석될 수 있도록 하는 것이죠. 유세포 분석(flow cytometry)은 세포의 다양한 특성을 빠르고 정확하게 파악하는 데 중요한 역할을 하며, 특히 세포의 물리적, 화학적 특성을 이해하는 데 매우 유용해요.

 

 

 

 

유세포 분석은 세포를 분석하는 기법으로, 1950년대 처음 사용되어 빠르게 흐르는 유체 스트림에서 세포가 관찰 창(viewing aperture)을 지나갈 때 세포의 부피를 측정하는 데 활용되었어요. 이후 많은 연구자와 엔지니어의 혁신 덕분에 현대의 유세포 분석기가 탄생했으며, 이 장비는 레이저 앞을 통과하는 용액 내 세포를 초당 10,000개 이상의 속도로 측정할 수 있어요. 오늘날의 장비는 1~2개에서 많게는 30개 이상의 형광 매개변수(fluorescent parameter)를 동일한 세포에서 동시에 측정할 수 있을 만큼 진화했죠.

 

 

유세포 분석은 빠른 속도와 개별 세포 수준의 정밀한 분석 능력 덕분에 세포 생물학자에게 수백만 개의 세포를 신속하게 분석하고 특성화할 수 있는 통계적 힘을 제공해요. 그러나 이와 같은 고속 분석은 세포의 형태적 특성이나 세포 소기관 위치와 같은 정보를 얻기 어렵다는 단점이 있어요. 이런 점에서, 과학도 일상과 마찬가지로 언제나 트레이드오프(trade-off)가 존재하는 셈이죠.

 

 

 

지금부터 간단히 유세포 분석법과 현미경의 특징적인 부분들에 대해 비교해보도록 할게요.

 

 

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장비/소프트웨어의 복잡성 및 비용

 

유세포 분석(flow cytometry)은 매개변수(parameter) 수가 많아질수록 장비와 분석 소프트웨어의 복잡성과 비용이 높아져요. 다양한 매개변수를 동시에 측정하려면 고급 기능이 필요하기 때문에 설치와 유지 비용이 증가할 수 있어요.

 

반면, 현미경(microscopy)은 비교적 저렴하지만, 실험이 복잡해질수록 고급 장비와 소프트웨어가 필요해 비용이 올라갈 수 있습니다.

 

 

단일 세포에서 감지할 수 있는 매개변수의 수

 

유세포 분석은 한 세포에서 최대 30개까지 매개변수를 검출할 수 있는 반면, 현미경은 특수 장비를 사용할 때 최대 6개 정도의 매개변수를 측정할 수 있어요.

 

정량화

 

유세포 분석은 내장 소프트웨어를 통해 통계 데이터를 쉽게 얻을 수 있는 반면, 현미경은 장비와 소프트웨어를 통해 자동으로 정량화할 수 있거나 때로는 수작업으로도 가능하지만 시간이 많이 걸릴 수 있어요.

 

감도

 

유세포 분석과 현미경 모두 형광물질(플루오로크롬) 선택과 실험 설계 및 장비에 따라 감도가 달라지는데요. 현미경은 형광물질 선택과 노출 시간에 크게 의존해요.

 

 

처리량 (throughput)

유세포 분석은 짧은 시간에 수백만 개의 세포를 분석할 수 있는 반면, 현미경은 고처리량을 위해 특정 이미징 장비가 필요해요.

 

 

동적 데이터 수집

 

유세포 분석도 가능하지만, 다소 어려운 반면, 현미경에서는 일상적으로 진행돼요.

 

 

 

구조/형태적 데이터 수집

 

유세포 분석도 이미징 유세포 분석기를 사용하면 가능하지만, 현미경은 이러한 형태적 데이터를 수집하는 데 큰 강점을 가지고 있어요.

 

 

 

 

다음으로, 유세포 분석법을 이용할 수 있는 다양한 응용분야들에 대해 간략히 알아볼게요.

 

 

유세포 분석(flow cytometry)을 통해 검출하고 측정할 수 있는 응용 분야는 매우 다양해요. 예를 들어

단백질 발현(Protein expression): 세포 전체, 심지어 핵 내부에서도 단백질 발현 수준을 측정할 수 있어요.

단백질의 번역 후 변형(Post-translational modifications): 절단(cleavage)된 단백질이나 인산화(phosphorylation)된 단백질을 포함한 번역 후 변형도 분석할 수 있어요.

RNA 분석: IncRNA, miRNA, mRNA와 같은 RNA 전사체(transcript)를 측정할 수 있어요.

세포 건강 상태(Cell health status): 세포 생존력(viability)부터 후기 단계의 세포자멸사(apoptosis)나 프로그램된 세포사(progammed cell death)까지 세포의 건강 상태를 평가할 수 있어요.

세포 주기 상태(Cell cycle status): G0/G1, S, G2 단계나 다배수체(polyploidy) 상태를 포함하여 세포 주기 상태를 분석하고, 세포 증식 및 활성화를 평가하는 강력한 도구로 사용되죠.

 

이질적인 샘플에서 세포 집단의 식별과 특성화: 다양한 세포군을 구별할 수 있으며, 예를 들어 중심 효과 기억세포(central effector memory cells)와 탈진된 T 세포(exhausted T cells) 또는 조절 T 세포(regulatory T cells)를 구분할 수 있어요.

 

 

유세포 분석기의 특수한 기능 중 하나는 세포를 분류하고 특정 세포군을 실험 후 사용할 수 있도록 회수할 수 있다는 점이에요. 이러한 특수 유세포 분석기를 형광 활성 세포 분류기(Fluorescence Activated Cell Sorter, FACS)라고 불러요. 하지만 종종 이 용어를 일반적인 유세포 분석기와 혼동해 사용하기도 하는데, 이는 잘못된 용법이에요. 일반적인 유세포 분석기는 분석 기능만 제공하며 세포 분류는 수행하지 않아요. FACS는 유체역학 및 형광 장치를 사용하여 이질적인 샘플에서 특정 세포 집단을 분리해 별도의 튜브로 유도할 수 있어요. 멸균 조건에서 수집된 세포는 추가적으로 배양하거나 조작하여 연구할 수 있죠.

 

 

 

다음 포스트에서는 유세포 분석기의 기본적인 작동 방식에 대해 알아보도록 할게요.